واپاشی رادیواکتیو، فرایندی خودبه‌خودی است که طی آن یک هسته اتم ناپایدار به قطعات کوچک‌تر و پایدارتر تجزیه می‌شود. اما چرا برخی هسته‌ها واپاشی می‌کنند و برخی دیگر نه؟

پاسخ، ریشه در ترمودینامیک دارد. در اتمی در تلاش است تا به پایدارترین حالت ممکن برسد. در مورد واپاشی رادیواکتیو، ناپایداری زمانی رخ می‌دهد که عدم تعادلی در تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، انرژی بیش از حدی در داخل هسته وجود دارد که نمی‌تواند تمام نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) را در کنار هم نگه دارد.

وضعیت الکترون‌های یک اتم در واپاشی تاثیری ندارد، هرچند آن‌ها نیز به دنبال راهی برای رسیدن به پایداری هستند. اگر هسته یک اتم ناپایدار باشد، در نهایت از هم می‌پاشد تا حداقل بخشی از ذراتی را که آن را ناپایدار کرده‌اند، از دست بدهد. هسته اولیه، هسته "مادر" نامیده می‌شود، در حالی که هسته یا هسته‌های حاصل، هسته "دختر" نامیده می‌شوند. هسته‌های دختر ممکن است هنوز رادیواکتیو باشند و در نهایت به قطعات بیشتری تجزیه شوند، یا ممکن است پایدار باشند.

• واپاشی رادیواکتیو زمانی اتفاق می‌افتد که هسته اتم ناپایدار بوده و انرژی زیادی در داخل آن وجود داشته باشد.
• سه نوع واپاشی رادیواکتیو وجود دارد: آلفا، بتا و گاما.
• نسبت نوترون‌ها به پروتون‌ها، عاملی کلیدی در تعیین پایداری یا رادیواکتیویته هسته است.

انواع واپاشی رادیواکتیو

سه نوع اصلی واپاشی رادیواکتیو وجود دارد. اینکه یک هسته اتم کدام یک از این انواع را تجربه کند، به نوع ناپایداری داخلی آن بستگی دارد. برخی از ایزوتوپ‌ها ممکن است از طریق بیش از یک مسیر واپاشی کنند.

واپاشی آلفا

در واپاشی آلفا، هسته یک ذره آلفا (که اساساً هسته هلیوم است و از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده) را پرتاب می‌کند. این امر باعث می‌شود عدد اتمی هسته مادر دو واحد و عدد جرمی آن چهار واحد کاهش یابد.

واپاشی بتا

در واپاشی بتا، جریانی از الکترون‌ها (که ذرات بتا نامیده می‌شوند) از هسته مادر خارج می‌شوند و یک نوترون در هسته به یک پروتون تبدیل می‌شود. عدد جرمی هسته جدید تغییری نمی‌کند، اما عدد اتمی آن یک واحد افزایش می‌یابد.

واپاشی گاما

در واپاشی گاما، هسته اتم انرژی اضافی خود را به شکل فوتون‌های پرانرژی (تابش الکترومغناطیسی) آزاد می‌کند. عدد اتمی و عدد جرمی تغییری نمی‌کنند، اما هسته حاصل به یک حالت انرژی پایدارتر می‌رسد.

رادیواکتیو در مقابل پایدار

یک ایزوتوپ رادیواکتیو، ایزوتوپی است که دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شود. اصطلاح "پایدار" ابهام بیشتری دارد، زیرا به عناصری اطلاق می‌شود که به دلایل عملی، در یک بازه زمانی طولانی از هم نمی‌پاشند. این بدان معناست که ایزوتوپ‌های پایدار شامل مواردی می‌شوند که هرگز از هم نمی‌پاشند، مانند پروتیم (که از یک پروتون تشکیل شده است، بنابراین چیزی برای از دست دادن ندارد) و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، مانند تلوریم-128 که نیمه عمری معادل 7.7 x 1024 سال دارد. رادیوایزوتوپ‌هایی که نیمه عمر کوتاهی دارند، رادیوایزوتوپ‌های ناپایدار نامیده می‌شوند.

برخی از ایزوتوپ‌های پایدار، نوترون‌های بیشتری نسبت به پروتون‌ها دارند

شاید تصور کنید که یک هسته در پیکربندی پایدار باید تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یکسانی داشته باشد. برای بسیاری از عناصر سبک‌تر، این موضوع درست است. برای مثال، کربن معمولاً با سه پیکربندی مختلف از پروتون‌ها و نوترون‌ها یافت می‌شود که به آن‌ها ایزوتوپ می‌گویند. تعداد پروتون‌ها تغییر نمی‌کند، زیرا این عدد، عنصر را تعیین می‌کند، اما تعداد نوترون‌ها متغیر است: کربن-12 شش پروتون و شش نوترون دارد و پایدار است. کربن-13 نیز شش پروتون دارد، اما هفت نوترون دارد و این ایزوتوپ هم پایدار است. با این حال، کربن-14 با شش پروتون و هشت نوترون، ناپایدار یا رادیواکتیو است. تعداد نوترون‌ها برای یک هسته کربن-14 بیش از حد زیاد است و نیروی جاذبه قوی نمی‌تواند آن را به طور نامحدود در کنار هم نگه دارد.

اما با حرکت به سمت اتم‌هایی که پروتون‌های بیشتری دارند، ایزوتوپ‌ها به طور فزاینده‌ای با مازاد نوترون‌ها پایدار می‌شوند. دلیل این امر این است که نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) در هسته ثابت نیستند، بلکه در حال حرکت هستند و پروتون‌ها به دلیل داشتن بار الکتریکی مثبت یکدیگر را دفع می‌کنند. نوترون‌های این هسته‌های بزرگ‌تر به عنوان عایقی در برابر اثرات متقابل پروتون‌ها عمل می‌کنند.

نسبت N:Z و اعداد جادویی

نسبت نوترون به پروتون، یا نسبت N:Z، عامل اصلی تعیین کننده پایداری یا عدم پایداری یک هسته اتم است. عناصر سبک‌تر (Z < 20) ترجیح می‌دهند تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یکسانی داشته باشند، یعنی N:Z = 1. عناصر سنگین‌تر (Z = 20 تا 83) نسبت N:Z برابر با 1.5 را ترجیح می‌دهند، زیرا برای مقابله با نیروی دافعه بین پروتون‌ها به نوترون‌های بیشتری نیاز است.

همچنین اعدادی به نام اعداد جادویی وجود دارند که اعدادی از نوکلئون‌ها (پروتون یا نوترون) هستند که به طور ویژه‌ای پایدار هستند. اگر تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها هر دو دارای این مقادیر باشند، این وضعیت اعداد جادویی مضاعف نامیده می‌شود. می‌توانید این وضعیت را معادل هسته‌ای قانون اکتت در تعیین پایداری لایه‌های الکترونی در نظر بگیرید. اعداد جادویی برای پروتون‌ها و نوترون‌ها کمی متفاوت هستند:

• پروتون‌ها: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 114
• نوترون‌ها: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 126، 184

برای پیچیده‌تر کردن موضوع پایداری، ایزوتوپ‌های پایدارتری با مقدار Z:N زوج-به-زوج (162 ایزوتوپ) نسبت به زوج-به-فرد (53 ایزوتوپ)، نسبت به فرد-به-زوج (50 ایزوتوپ) و نسبت به مقادیر فرد-به-فرد (4 ایزوتوپ) وجود دارند.

تصادفی بودن و واپاشی رادیواکتیو

نکته پایانی: اینکه آیا یک هسته مشخص دچار واپاشی می‌شود یا نه، یک رویداد کاملاً تصادفی است. نیمه عمر یک ایزوتوپ، بهترین پیش‌بینی برای یک نمونه به اندازه کافی بزرگ از عناصر است. از آن نمی‌توان برای پیش‌بینی رفتار یک هسته یا چند هسته استفاده کرد.

آیا می‌توانید در یک آزمون در مورد رادیواکتیویته موفق شوید؟